Rozproszone źródła energii, wytwarzanie rozproszone, generacja rozproszona, energetyka rozproszona – to synonimy określające dynamicznie rozwijającą się (od początku lat dzie-więćdziesiątych XX wieku) dziedzinę elektroenergetyki, dobrze wpisującą się w ideę rozwoju zrównoważonego.1
Generacja rozproszona rozumiana jako wytwarzanie ener-gii elektrycznej i/lub ciepła w obiektach małej skali, zlokalizo-wanych w sieciach rozdzielczych lub u odbiorców, często z wy-korzystaniem zasobów odnawialnych i w skojarzeniu, nie jest bynajmniej nowym zjawiskiem w funkcjonowaniu systemu elek-troenergetycznego. Pierwsze elektrownie z końca XIX wieku były w istocie źródłami niezależnymi i zasilały wydzielone sieci lokal-nych odbiorców. Po blisko stuletnim, niepodzielnym panowaniu energetyki scentralizowanej coraz większych mocy, pojawiły się tendencje „powrotu do korzeni”, wyrażające się ponownym za-interesowaniem małymi źródłami energii, tj. źródłami rozproszo-nymi [5-7].
W rozproszonych źródłach energii są (lub mogą być) sto-sowane [5-7]:
• spalinowe lub parowe silniki tłokowe, • turbiny i mikroturbiny gazowe, • silniki Stirlinga,
• ogniwa paliwowe,
• układy skojarzone wykorzystujące turbiny gazowe, silniki tłokowe, silniki Stirlinga i ogniwa paliwowe, • małe elektrownie wodne (MEW), • elektrownie wiatrowe, • elektrownie geotermiczne, • elektrownie fotowoltaiczne (PV), • elektrownie heliotermiczne (z centralnym odbiornikiem i zde-centralizowane), • technologie wykorzystujące biomasę i odpady, • technologie wykorzystujące: pływy, prądy i falowanie mórz oraz ciepło oceaniczne, zasobniki energii.
Rozwój generacji rozproszonej, ze wszech miar pożąda-ny, napotyka jednak pewne problemy i bariery. Zdaniem au-tora rozwiązaniem części z nich i szansą na rozwój wytwa-rzania rozproszonego jest stosowanie hybrydowych układów wytwórczych.
1) Prof. dr hab. inż. Józef Paska, Politechnika Warszawska, Instytut Elektro-energetyki, Zakład Elektrowni i Gospodarki Elektroenergetycznej.
Definicje i rodzaje hybrydowych
układów wytwórczych
Wykorzystanie odnawialnych zasobów energii oznacza głównie przetwarzanie energii Słońca, wiatru i przepływającej wody na energię elektryczną [6-7]. Podstawową wadą takich źró-deł jest silna zależność ilości wytwarzanej energii od aktualnych wartości nasłonecznienia i prędkości wiatru, w wyniku czego prognozowanie produkcji energii jest bardzo kłopotliwe i obar-czone znacznym niekiedy błędem. W celu zwiększenia możliwo-ści wykorzystania tych źródeł energii zaczęto stosować hybrydo-we układy (systemy) wytwórcze (HSW), będące kombinacją kilku technologii uzyskiwania energii elektrycznej, np.: paneli fotowol-taicznych i generatora z silnikiem spalinowym. Są to zatem [4-7, 9-12] małe zespoły współpracujących jednostek wytwórczych energii elektrycznej i ciepła, o zróżnicowanych nośnikach energii pierwotnej (odnawialne i nieodnawialne) i/lub zawierające ukła-d(y) do magazynowania energii, przy czym sterowanie i koordy-nacja ich współpracy odbywa się przy wykorzystaniu zaawanso-wanych układów energoelektronicznych.
Hybrydowe układy wytwórcze zawierają dwa lub więcej źródeł energii (technologii) po to, by następowało wzajemne kompensowanie zalet i wad tych źródeł. Projektanci i producenci rozpatrują rozmaite możliwości połączenia różnych technologii w celu zwiększenia sprawności oraz uzyskania lepszych parame-trów. Hybrydowy układ wytwórczy z dwoma rodzajami zastoso-wanych technologii jest nazywany „podwójnym” (ang. bivalent), a układ z wieloma źródłami – „wielorakim” (ang. multivalent).
W tabeli 1 przedstawiono podwójne hybrydowe układy wy-twórcze, które są już dostępne komercyjnie, są na etapie projek-towania lub są co najmniej godne rozważenia.
Pojęcie układu hybrydowego występuje także w rozporzą-dzeniu polskiego Ministra Gospodarki z dnia 18 października 2012 r. w sprawie szczegółowego zakresu obowiązków uzy-skania i przedstawienia do umorzenia świadectw pochodzenia, uiszczenia opłaty zastępczej, zakupu energii elektrycznej i ciepła wytworzonych w odnawialnych źródłach energii oraz obowiązku potwierdzania danych dotyczących ilości energii elektrycznej wy-tworzonej w odnawialnym źródle energii [14]: „układ hybrydowy – jednostka wytwórcza wytwarzająca energię elektryczną albo energię elektryczną i ciepło, w której w procesie wytwarzania energii elektrycznej lub ciepła wykorzystywane są nośniki energii
Józef Paska
Generacja rozproszona z wykorzystaniem
hybrydowych układów wytwórczych
Distributed generation with the application
of hybrid generation systems
wytwarzane oddzielnie w odnawialnych źródłach energii, z moż-liwością wykorzystania paliwa pomocniczego2), i w źródłach energii innych niż odnawialne źródło energii, pracujące na wspól-ny kolektor oraz zużywane wspólnie w tej jednostce wytwórczej do wytworzenia energii elektrycznej lub ciepła”.
Definicja ta jest niespójna z określeniem odnawialnego źródła energii z ustawy Prawo energetyczne [13]: „odnawialne źródło energii – źródło wykorzystujące w procesie przetwarza-nia energię wiatru, promieniowaprzetwarza-nia słonecznego, geotermalną, fal, prądów i pływów morskich, spadku rzek oraz energię po-zyskiwaną z biomasy, biogazu wysypiskowego, a także bioga-zu powstałego w procesach odprowadzania lub oczyszczania ścieków albo rozkładu składowanych szczątków roślinnych i zwierzęcych”.
2) Paliwo pomocnicze – paliwo inne niż biomasa stosowane do uruchomienia odnawialnego źródła energii, którego udział wagowy w łącznej ilości spala-nej biomasy nie przekracza 0,3% w okresie rozliczeniowym.
W układach hybrydowych są stosowane głównie spalinowe zespoły prądotwórcze (np.: z silnikami Diesla), małe elektrownie wiatrowe oraz baterie ogniw słonecznych; mogą one pracować w kombinacjach podwójnych lub być wykorzystywane wszystkie. W układach hybrydowych są lub będą również stosowane elek-trownie na biomasę, w szczególności małe jednostki modularne (do 5 MW), małe elektrownie wodne oraz ogniwa paliwowe wraz z bateriami słonecznymi i turbozespołami wiatrowymi.
Zasadnicze elementy układu hybrydowego, wykorzystują-cego wyłącznie odnawialne zasoby energii, pokazano na rysun-ku 1. Nośnikiem energii elektrycznej, wytwarzanej z energii wody lub wiatru, jest prąd przemienny (AC), który może być przekształ-cony na prąd stały (DC) w celu ładowania baterii akumulatorów. Akumulatory są chronione przed rozładowaniem oraz przełado-waniem przez system kontrolujący. Do zmiany niskiego napięcia stałego na napięcie przemienne 110 V lub 220 V, w zależności od standardu używanego w danym rejonie, są stosowane prze-kształtniki energoelektroniczne.
Tabela 1
Zestawienie podwójnych hybrydowych układów wytwórczych
Oczyszczanie wody
CHP
Zasobnik energii paliwoweOgniwo
Wodne
Wiatrowe (małe)
Słoneczna
helioter--miczna Słoneczna Mikroturbina Cykl Braytona Cykl Rankina Silnik Stirlinga
Silnik spalinowy
Sprężone
powitrze
Zasobnik ciepła Koło zamachowe
Magnes
nadprzewodzący
- SMES
Supekondensator
Odwracalne ogniwo paliwowe
Bateria przepływowa
Akumulator kwasowo-ołowiowy
PEMFC MCFC PAFC SOFC
Typ wieżowy
Koncentrator rynnowy Koncentrator talerzowy
Kolektor słoneczny - gorąca woda
Ogniwo fotowoltaiczne z koncentratorem
Ogniwo fotowoltaiczne Ciepło odpadowe Energia
geotermalna
Gaz z biomasy/ciekły
Gaz składowiskowy lub odpadowy
Propan Gaz ziemny Ciepło odpadowe Wodór Gaz z biomasy/ciekły Propan Gaz ziemny
Ciepło odpadowe Energia
geotermalna
Biomasa stała
Gaz z biomasy/ciekły
Propan
Gaz ziemny Słońce
Ciepło odpadowe
Wodór
Biomasa stała
Gaz z biomasy/ciekły
Gaz składowiskowy lub odpadowy
Propan
Gaz ziemny Wodór
Gaz z biomasy/ciekły
Gaz składowiskowy lub odpadowy
Propan
Silnik
spalinowy
Gaz ziemny Propan Gaz składowiskowy lub odpadowy
Gaz z biomasy/ciekły Wodór Silnik Stirlinga Gaz ziemny Propan Gaz składowiskowy lub odpadowy
Gaz z biomasy/ciekły Biomasa stała Wodór Ciepło odpadowe Słońce Cykl Rankina Gaz ziemny Propan Gaz z biomasy/ciekły Biomasa stała Energia geotermalna Ciepło odpadowe Cykl Braytona Gaz ziemny Propan Gaz z biomasy/ciekły Wodór Ciepło odpadowe Mikroturbina Gaz ziemny Propan Gaz składowiskowy lub odpadowy
Gaz z biomasy/ciekły Wodór Ciepło odpadowe
Słoneczna
Ogniwo fotowoltaiczne Stosowany lub w fazie przedkomercyjnej
Ogniwo fotowoltaiczne z koncentratorem
Kolektor słoneczny - gorąca woda Badania i rozwój
Słoneczna helioter --miczna Koncentrator talerzowy
Koncentrator rynnowy Możliwy do zastosowania
Typ wieżowy
Wiatrowe (małe) Brak możliwości zastosowania
Wodne Ogniwo paliwowe SOFC PAFC MCFC PEMFC Zasobnik energii Akumulator kwasowo-ołowiowy Bateria przepływowa Odwracalne ogniwo paliwowe
Superkondensator Magnes nadprzewodzący - SMES Koło zamachowe Zasobnik ciepła Sprężone powietrze CHP
kle stosowane w rejonach odległych lub w przypadkach, gdy napotyka się trudności w transporcie paliwa do konwencjo-nalnych jednostek wytwórczych. Należą one do najdroższych ze względu na konieczność przewymiarowania odnawialnych źródeł energii oraz zastosowania układów magazynowania energii.
być również pomocne w przeciwdziałaniu chwilowym skokom lub zapadom napięcia w węzłach systemu elektroenergetycz-nego (SEE) oraz jako rezerwa mocy w SEE. Powszechnie znanym urządzeniem umożliwiającym magazynowanie energii elektrycznej jest akumulator. Akumulatory połączone w grupy szeregowo-równoległe, w celu uzyskania odpowiednich para-metrów napięciowo-prądowych, tworzą wraz z przetwornica-mi energoelektronicznyprzetwornica-mi bateryjne zasobniki energii o mocy przekraczającej niekiedy dziesiątki megawatów (BES – Batte-ry Energy Storage) [1-3, 8]. W energetyce zawodowej od daw-na wykorzystuje się zasobniki energii, jakimi są systemowe elektrownie wodne pompowe.
Nowe rozwiązania zasobników, nierzadko oparte na zna-nych zjawiskach fizyczzna-nych, bardzo szybko ewoluują, stając się technologicznie dojrzałe i są powoli wprowadzane do energetyki zawodowej [1-3, 8]. Należą do nich:
• kinetyczne zasobniki energii (FES – Flywheel Energy Storage), • ogniwa paliwowe i paliwo wodorowe,
• elektrownie szczytowo-pompowe,
• pneumatyczne zasobniki energii (CAES – Compressed Air Energy Storage),
• superkondensatory (Supercapacitors),
• nadprzewodzące zasobniki energii (SMES – Superconduc-ting Magnetic Energy Storage),
• bateryjne zasobniki energii.
Wszystkie obecnie stosowane technologie magazynowania energii elektrycznej można podzielić na technologie magazyno-wania pośredniego (z udziałem konwersji energii elektrycznej na inny rodzaj energii, np.: kinetyczną, chemiczną) i bezpośrednie-go (w polu elektrycznym lub magnetycznym).
Zbiorcze zestawienie i klasyfikację możliwości magazyno-wania energii elektrycznej przedstawiono w tabeli 2.
Rys. 1. Schemat blokowy układu hybrydowego z wyłącznym wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii
W porównaniu z instalacjami z wyłącznym wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii, instalacje z generatorami energii elektrycznej, zasilanymi paliwami kopalnymi, mają szereg waż-nych właściwości:
• możliwość redukcji pojemności baterii akumulatorów, • zdolność do pracy może osiągnąć 100% przy znacznie
mniejszych zdolnościach wytwórczych elementów skła-dowych,
• zwiększenie kosztów bieżącego utrzymania instalacji oraz kosztów paliwa,
• zwiększenie hałasu oraz innych zanieczyszczeń środowi-ska,
• zmniejszenie kosztów remontów kapitalnych.
Hybrydowe układy wytwórcze stwarzają także możliwości produkcji ciepła, zarówno w sposób rozdzielony, jak i w skoja- rzeniu (kogeneracja, CHP). Możliwości takie istnieją w przypad-ku zastosowania w HSW: silników tłokowych (spalinowych lub parowych), silników Stirlinga, małych turbin gazowych i mikro-turbin, ogniw paliwowych (średnio- i wysokotemperaturowych), elektrowni słonecznych heliotermicznych, wykorzystania bioma-sy i biogazu oraz ciepła geotermalnego.
Zasobniki energii w hybrydowych
układach wytwórczych
Rozwiązaniem problemu niestabilności pracy źródeł wy-korzystujących odnawialne zasoby energii Słońca i wiatru jest współpraca elektrowni słonecznych i wiatrowych z układami do magazynowania energii elektrycznej. Takimi układami są zasobniki energii, które są zdolne zmagazynować nadwyżki generowanej przez elektrownię energii, bądź zasilać odbior-niki wcześniej zmagazynowaną energią w czasie, gdy elek-trownia nie jest w stanie pokryć całego zapotrzebowania odbiorników. Dzięki temu można podnieść dyspozycyjność
Tabela 2
Możliwości magazynowania energii elektrycznej [1-3, 8]
Zasobniki
mechaniczne Zasobniki elektrochemiczne elektryczneZasobniki • elektrownie wodne pompowe • zbiorniki sprężonego powietrza • koła zamachowe (masy wirujące) • baterie akumulatorów z magazynowaniem wewnętrznym (np. ołowiowe, niklowo-kadmowe, litowo-jonowe) • z magazynowaniem zewnętrznym: – magazynowanie gazu (elektrolizer, ogniwo paliwowe), – magazynowanie w ciekłych elektrodach (np. wanadowych), – ogniwa galwaniczne z regeneracją zewnętrzną (np. cynk-powietrze) • magnesy nadprzewodzące, • superkonden-satory
W tabeli 3 przedstawiono ilościową charakterystykę techniczną zasobników, zaś w tabeli 4 – najistotniejsze zalety i wady technologii umożliwiających magazynowanie energii elektrycznej.
Sterownik Bateria Falownik Odbiorca
DC AC
DC AC
Tabela 3
Charakterystyka techniczna zasobników energii [1-3, 8]
Technologia Sprawność, % Gęstość energii, Wh/kg Gęstość mocy, W/kg Okres eksploatacji, cykle lub lata rozładowanieSamo
Superkondensatory 85-98 5-12 2 000-10 000 500 000 cykli 5%/dzień
Nadprzewodzące ZE 90-95 30-65 300-600 30 lat pomijalne
Akumulatory kwasowo-ołowiowe 75-90 35-50 75-300 5 lat (1500 cykli) 2-5%/m-c
Akumulatory niklowo-kadmowe 60-83 10-75 150-300 1 500-9 000 cykli 5-20%/m-c
Akumulatory litowo-jonowe 75-92 150-200 200-315 >15 lat (5 000 cykli) ~1%/m-c
Akumulatory sodowo-siarkowe 75-85 150-240 100-280 2 500 cykli ~1%/m-c
Baterie cynkowo-bromowe 60-70 50-75 75-90 10-20 lat (>1 500 cykli) pomijalne
Baterie VRB 75-85 30-50 1 200-3 000 10-15 lat (>10 000 cykli) pomijalne
Ogniwa paliwowe PAFC (tylko rozładowanie - generacja)36-45 5-15 11 000 20 lat nie ma
Ogniwa paliwowe PEFC (bez kogeneracji, tylko generacja)50-55 20-50 3 000-5 000 20 lat nie ma
Ogniwa paliwowe SOFC (bez kogeneracji, tylko generacja)50-55 20-50 ? 20 lat nie ma
Elektrownie wodne pompowe 70-85 10 - ³30 lat pomijalne
Pneumatyczne ZE 65-80 5-50 - 30 lat pomijalne
Kinetyczne ZE (stalowe) 85-90 55 10 000 20 lat nie ma
Kinetyczne ZE (kompozytowe) 90-95 870 - 20 lat nie ma
Tabela 4
Zalety i wady technologii umożliwiających magazynowanie energii elektrycznej [1-3, 8]
Technologie Zalety Wady Potencjalne usprawnienia
Superkondensatory eksploatacji, szybkie procesy ładowaniaduża gęstość mocy, długi okres zaawansowanej energoelektroniki, mała gęstość energii, wymaga
droga technologia obniżenie kosztów, wzrost gęstości energii Nadprzewodzące
zasobniki energii duża gęstość mocy mała gęstość energii, znaczne potrzeby własne, droga technologia obniżenie kosztów, wzrost gęstości energii, zwiększenie szybkości procesu ładowania Akumulatory ołowiowe
(kwasowo- ołowiowe)
dojrzała technologia,
ogólnie dostępna, stosunkowo długi okres eksploatacji
wymaga obsługi i nadzoru technicznego, mała gęstość mocy i energii, kosztowny
recykling, wpływ temperatury na pojemność baterii, wysokie napięcie
głębokiego rozładowania
obniżenie napięcia głębokiego rozładowania, zwiększenie odporności
na gradienty temperatury, procedury bezpiecznej eksploatacji
w niektórych obiektach Akumulatory
niklowo-kadmowe (Ni-Cd)
dojrzała technologia, duża odporność mechaniczna, duża gęstość energii,
długi okres eksploatacji droga technologia, toksyczne materiały
obniżenie kosztów, usprawnienie procesów recyklingu Akumulatory
litowo-jonowe (Li-ion) duża gęstość mocy i energii, wysoka sprawność technologia na etapie rozwoju, droga, „trudna” w eksploatacji
obniżenie kosztów, usprawnienie procesów kontroli (nadzór), zwiększenie odporności
na gradienty temperatury Akumulatory
sodowo-siarkowe (Na-S)
dojrzała technologia; duża gęstość mocy
i energii, wysoka sprawność wysoka temperatura pracydroga technologia, obniżenie kosztów Akumulatory
cynkowo-bromowe (Zn-Br)
duża gęstość mocy i energii, przeznaczenie do dużych aplikacji
technologia na etapie rozwoju, duże koszty utrzymania w ruchu, łatwo korodujące
i toksyczne materiały
obniżenie kosztów, usprawnienie procesów kontroli (nadzór), poprawa procedur
bezpiecznej eksploatacji Akumulatory wanadowe
(VRB) przeznaczenie do dużych aplikacjiduża gęstość mocy i energii, technologia na etapie rozwoju, droga, trudna standaryzacja obniżenie kosztów, standaryzacja
Ogniwa paliwowe możliwość kogeneracji (ogniwa stosunkowo duża sprawność, wysokotemperaturowe)
droga technologia (drogie katalizatory), trudne w produkcji paliwo (wodór),
materiały wrażliwe na zanieczyszczenie związkami siarki, nieprzeciążalność prądowa
obniżenie kosztów
Elektrownie wodne
pompowe dojrzała technologia, duża gęstość energii i mocy
ograniczenia lokalizacji, wysokie koszty inwestycyjne, długi czas budowy, raczej
dla dużych mocy
poprawa sprawności hydrozespołów wodnych
Pneumatyczne zasobniki
energii dojrzała technologia, duża gęstość energii i mocy
ograniczenia geograficzne i geologiczne lokalizacji, dostępność paliw,
wysokie koszty inwestycyjne, długi okres budowy, dedykowana raczej
dla większych mocy
zastosowanie procesów adiabatycznych, dzięki czemu możliwa będzie całkowita
eliminacja zużycia paliwa Kinetyczne zasobniki
Przykłady rozwiązań hybrydowych
układów wytwórczych
W dalszej części artykułu przedstawiono rozwiązania hy-brydowych układów wytwórczych, dotyczące głównie układów z wykorzystaniem energii promieniowania słonecznego (kon-wersja fotowoltaiczna) i energii wiatru, opierając się na pracach zrealizowanych w Instytucie Elektroenergetyki Politechniki War-szawskiej.
Elektrownia słoneczna z baterią akumulatorów
Jedną z podstawowych idei jest połączenie baterii ogniw sło-necznych z baterią akumulatorów. Na rysunku 2 przedstawiono schemat blokowy takiej elektrowni, zasilającej odbiorniki stałoprą-dowe. Bateria akumulatorów - zasobnik energii umożliwia zasila-nie odbiorów w okresach zasila-niedostatecznej wydajności energetycz-nej baterii słoneczenergetycz-nej (niskie nasłonecznienie, godziny nocne).
Elektrownia słoneczno-wiatrowa z generatorem napędzanym silnikiem Diesla
Kolejną możliwością jest połączenie trzech źródeł: baterii słonecznej, turbozespołu wiatrowego i generatora prądu prze-miennego napędzanego silnikiem Diesla. Na rysunku 4 przedsta-wiono schemat blokowy takiej elektrowni. Przy niesprzyjających warunkach atmosferycznych (bateria słoneczna BS i turbozespół wiatrowy TW nie pracują) odbiornik jest zasilany z agregatu prą-dotwórczego, w skład którego wchodzą: silnik Diesla i sprzęgnię-ty z nim generator prądu przemiennego (GD).
Rys. 2. Schemat blokowy elektrowni słonecznej z baterią akumulatorów
Zaletą tego rozwiązania jest prostota budowy i sterowania. Wadą układu jest to, że bateria słoneczna, nawet wraz z bate-rią akumulatorów, nie jest w stanie zasilić odbiorników w ciągu całej doby, gdyż ilość energii produkowanej jest silnie zależna od warunków nasłonecznienia i pory roku. Układ jest w stanie magazynować i oddawać energię elektryczną tylko w krótkich okresach. Nadaje się do zasilania takich odbiorników, gdzie cią-głość zasilania nie jest sprawą priorytetową.
Elektrownia słoneczna z turbozespołem wiatrowym
Inną ideą jest połączenie dwóch źródeł odnawialnych: ba-terii ogniw słonecznych z turbozespołem wiatrowym. Na rysun-ku 3 przedstawiono schemat blokowy elektrowni słoneczno-wia-trowej, z baterią akumulatorów, zasilającej odbiornik wydzielony stałoprądowy [10-12].
Rys. 3. Schemat blokowy elektrowni słoneczno-wiatrowej
Rys. 4. Schemat blokowy hybrydowej elektrowni słoneczno-wiatrowej z generatorem napędzanym silnikiem Diesla Istotą tego rozwiązania jest maksymalne wykorzystanie źródła słonecznego; turbozespół wiatrowy ze względu na zuży-wanie się części mechanicznych jest włączany w celu szybkiego doładowania baterii akumulatorów przy braku dostatecznego na-słonecznienia, a generator napędzany silnikiem Diesla jest włą-czany tylko w przypadku głębokiego rozładowania baterii aku-mulatorów i wyłączany po jej pełnym naładowaniu. Wadą układu są wysokie koszty inwestycyjne instalacji. Pracę całego systemu kontroluje mikroprocesorowy system sterowania i nadzoru.
Elektrownia słoneczna z ogniwem paliwowym
Inne rozwiązanie polega na przebudowie hybrydowej elek-trowni słoneczno-wiatrowej: zastąpieniu turbozespołu wiatro-wego nowym źródłem energii – ogniwem paliwowym i dodaniu układu zarządzania źródłami [9-12]. Elektrownia została zopty-malizowana pod kątem zapewnienia ciągłego zasilania odbior-ników, maksymalizacji wykorzystania energii promieniowania słonecznego oraz minimalizacji zużycia paliwa – wodoru – przez ogniwo paliwowe.
Elektrownia składa się z następujących elementów: pane-li fotowoltaicznych, ogniwa paElektrownia składa się z następujących elementów: pane-liwowego, baterii akumulatorów, systemu automatycznego nadzoru i układu zarządzania źró-dłami (rys. 5). System automatycznego nadzoru ma za zada-nie zbierać informacje o obiekcie i przekazywać je zdalzada-nie do użytkownika.
Zastosowanie ogniwa paliwowego pozwala na uniezależ-nienie zasilania od warunków zewnętrznych, które mają cha-rakter losowy i na które użytkownik nie ma wpływu. Opisana elektrownia słoneczna z ogniwem paliwowym daje gwarancję stałego zasilania odbiorników. Sterowanie źródłami umożliwia optymalne wykorzystanie energii promieniowania słonecznego.
BATERIE
SŁONECZNE Bateria Akumulatorów
DC DC ODBIOR Y BATERIA SŁONECZNA BATERIA AKUMULATORÓW SIEĆ GENERATOR WIATROWY ODB. DC DC AC DC DC AC AC DC DC DC DC DC AC AC AC DC1 GD TW BS RO Z1 Z2 UKŁAD STEROWANIA PRZETWORNICĄ DC/DC MIKROPROCESOROWY SYSTEM STEROWANIA I NADZORU
Podsumowanie
Obserwując szybki rozwój generacji rozproszonej można sądzić, że systemy elektroenergetyczne będą ewoluowały do postaci, w której drogi przesyłu energii elektrycznej (i/lub ciepła) będą możliwie najkrótsze. Będą eliminowane zbędne przemiany energetyczne oraz zagospodarowywane wszelkie dostępne formy i nośniki energii (np. zasoby odnawialne i rozproszone, energia od-padowa itp.). Sposobem na efektywne wykorzystanie odnawial-nych i rozproszoodnawial-nych zasobów energii pierwotnej są hybrydowe układy (systemy) wytwórcze, w których ma miejsce integracja i swego rodzaju synergia różnych technologii wytwarzania energii elektrycznej, które umożliwiają zaspokojenie potrzeb energetycz-nych pojedynczych odbiorców lub lokalenergetycz-nych społeczności.
Budowa hybrydowych układów wytwórczych średniej i małej mocy, wykorzystujących odnawialne i rozproszone zasoby energii pierwotnej, które będą zlokalizowane blisko odbiorców, pozwoli uniknąć części kosztów przesyłu i dystrybucji. Tego typu układy mają niebagatelne znaczenie dla ochrony środowiska, gdyż wiele ze stosowanych w nich źródeł nie emituje zanieczyszczeń.
Hybrydowe układy wytwórcze stwarzają także możliwości produkcji ciepła, zarówno rozdzielonej, jak też skojarzonej. Moż-liwości takie istnieją w przypadku zastosowania w HSW takich technologii jak: silniki tłokowe, silniki Stirlinga, małe turbiny i mi-kroturbiny gazowe, ogniwa paliwowe średnio- i wysokotempe-raturowe, elektrownie słoneczne heliotermiczne, wykorzystanie biomasy i biogazu, wykorzystanie ciepła geotermalnego.
PIśMIENNICtWO
[1] Electrical Energy Storage White Paper. IEC. December 2011. [2]
Electricity Energy Storage technology Options - A White Paper Pri-mer on Applications, Costs, and Benefits. EPRI. December 2010 [3]
Hadjipaschalis I., Poullikkas A., Efthimiou V.: Overview of cur-rent and future energy storage technologies for electric power applications. Renewable & Sustainable Energy Reviews, Sep-tember 2008.
[4] Paska J.: Wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła w systemach hybrydowych. Rynek Energii 2007, nr 5.
[5] Paska J.: Reliability Issues in Electric Power Systems with Distri-buted Generation. Rynek Energii 2008, nr 5.
[6] Paska J.: Wytwarzanie rozproszone energii elektrycznej i cie-pła. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa 2010.
[7] Paska J.: Technologie rozproszonych źródeł energii. Podręcznik INPE dla elektryków – zeszyty monotematyczne 2011, z. 38. [8]
Paska J.: Zasobniki energii elektrycznej w systemie elektroener-getycznym - zastosowania i rozwiązania. Przegląd Elektrotech-niczny (Electrical Review) 2012, nr 9a.
[9] Paska J., Biczel P.: Hybrid Photovoltaic – Fuel Cell Power Plant. IEEE St. Petersburg Powertech‘2005. St. Petersburg, Russia, June 27–30, 2005.
[10] Paska J., Biczel P.: Experience with Hybrid Power Generating Systems. 8th International Conference „Electrical Power Quali-ty and Utilization – EPQU’05”. Cracow – Poland, September 21-23, 2005.
[11] Paska J., Kłos M.: Hybrydowe systemy wytwórcze energii elek-trycznej. XII Międzynarodowa Konferencja Naukowa „Aktual-ne problemy w elektroenergetyce – APE’05”. Gdańsk-Jurata, 8-10 czerwca 2005.
[12] Paska J., Biczel P., Kłos M.: Hybrid power systems – An effecti-ve way of utilising primary energy sources. Renewable Energy. Vol. 34, No 11, Nov. 2009.
[13] Prawo energetyczne. Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 z później-szymi zmianami (stan prawny na dzień 25.09.2012).
[14] Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 18 października 2012 r. w sprawie szczegółowego zakresu obowiązków uzy-skania i przedstawienia do umorzenia świadectw pochodze-nia, uiszczenia opłaty zastępczej, zakupu energii elektrycznej i ciepła wytworzonych w odnawialnych źródłach energii oraz obowiązku potwierdzania danych dotyczących ilości energii elektrycznej wytworzonej w odnawialnym źródle energii. Dz. U. z 2012 r., poz. 1229. Rys. 5. Struktura elektrowni słonecznej z ogniwem paliwowym (a) i widok części układu z dwoma ogniwami paliwowymi z elektrolitem polimerowym (PEFC) typu Nexa (b) a) b) DC/DC DC/DC DC/AC układ zarządzania źródłami ogniwo paliwowe odbiornik DC bateria akumulatorowa L1 L2 L3
